李志梅

（廣東省自動化研究所）

MBR污水處理節(jié)能潛力分析

李志梅

（廣東省自動化研究所）

采用Cp、Ppk和風(fēng)險比等方法，對污水處理廠運營數(shù)據(jù)進行研究，分析污水處理廠運營狀況，尋求節(jié)能空間，提出通過實時數(shù)據(jù)驅(qū)動模型進行控制的方法，降低變量波動，提高控制精度，穩(wěn)定系統(tǒng)運行以達到節(jié)能目的。

Cp；Ppk；風(fēng)險比；波動；節(jié)能

0 引言

城市污水處理是高能耗行業(yè)之一。由于技術(shù)和管理水平的限制，我國城市污水處理行業(yè)普遍存在電能浪費的問題，單位污水處理的電耗較高。

2010年初，借助住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《全國城鎮(zhèn)污水處理信息管理系統(tǒng)》平臺，國家城市給水排水工程技術(shù)研究中心抽樣選取全國多座污水處理廠進行全年能耗特征分析[1]。研究表明：2009年運行的1856座污水處理廠的年均電耗約為0.254 kW·h/m3，與日本1999年污水處理廠的能耗（0.26 kW·h/m3）相當(dāng)，比美國1999年0.20 kW·h/m3的水平略高[1]。由此可見，我國污水處理廠的能耗水平仍處于發(fā)達國家20世紀(jì)后期的水平，具有較大的節(jié)能降耗空間。污水處理廠的電耗節(jié)點主要包括提升泵房、鼓風(fēng)機房、推進及攪拌設(shè)備和內(nèi)外回流泵等，其中鼓風(fēng)機房是主要的電耗節(jié)點，其電耗約占污水處理廠總電耗的50%[2]。

本文通過某采用膜生物反應(yīng)器（MembraneBio-Reactor，MBR）工藝的污水處理廠工程實例，以工程三個月的實際運行數(shù)據(jù)（以下稱樣本數(shù)據(jù)）為基礎(chǔ)，結(jié)合目前工程的實際運行狀態(tài)，對污水處理控制系統(tǒng)進行節(jié)能潛力分析，尋找優(yōu)化控制方式和降低能耗的方法，以期為我國污水處理廠的運行管理和節(jié)能降耗提供理論基礎(chǔ)和參數(shù)支持。

1 分析方法

為了解工序在穩(wěn)定狀態(tài)下的實際加工能力，即在操作者、機器設(shè)備、原材料、操作方法、測量方法和環(huán)境等標(biāo)準(zhǔn)條件下，工序呈穩(wěn)定狀態(tài)時所具有的加工精度，通常用Cp和Ppk等參數(shù)作為評斷標(biāo)準(zhǔn)。

過程能力指數(shù)（capability index of process，Cp）僅適用于統(tǒng)計穩(wěn)定過程，不考慮過程的偏移，是過程在受控狀態(tài)下的實際加工能力。

工藝性能指標(biāo)（process performance inde，Ppk）不僅適用于受控過程，也適用于非受控過程，且一個非受控過程在生產(chǎn)初期過程和長期生產(chǎn)中都會遇到，因此它以整體數(shù)據(jù)為樣本，體現(xiàn)的是所有數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

Ppk表示在保證性能的前提下，在要求范圍內(nèi)實際過程變化影響下的控制能力；Cp代表實現(xiàn)最小的控制過程變化的能力。如果Cp值較小，說明控制過程受普通因素的變化影響較大，此時若想提升過程能力往往需要更多的投入和更高級的決策。Cp和Ppk與控制過程的影響關(guān)系如表1所示。

表1Cp、Ppk與控制過程之間的關(guān)系

在表1中，改變流程意味著改變儀器儀表，減弱儀器儀表帶來的隨機變化，以此提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及參數(shù)調(diào)整等方面的影響。

風(fēng)險比（risk ratio，RR）在水行業(yè)是指標(biāo)準(zhǔn)值與每個樣本的差異與標(biāo)準(zhǔn)差的比值，即在指定樣本測量時間段內(nèi)，樣本平均值與標(biāo)準(zhǔn)的差異與樣本標(biāo)準(zhǔn)差的比值。與Cp和Ppk的指標(biāo)相比，風(fēng)險比有效避免了單點樣本的不確定性，使分析結(jié)果更準(zhǔn)確。

其中，T是規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)；μ是數(shù)據(jù)的平均值；σ是標(biāo)準(zhǔn)偏差。

風(fēng)險比與超標(biāo)風(fēng)險的概率關(guān)系如圖1所示。這些概率是通過考慮單個樣本數(shù)據(jù)或一段時間內(nèi)的樣本數(shù)據(jù)集通過式(1)計算出來的，是一個作為正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)化變量的風(fēng)險比。如圖1所示，風(fēng)險比在0~2時為高危區(qū)，系統(tǒng)有非常高的風(fēng)險；風(fēng)險比在2~3時為風(fēng)險區(qū)，系統(tǒng)比較脆弱，超標(biāo)的概率相對較大；風(fēng)險比在3~5時為安全區(qū)，系統(tǒng)在經(jīng)濟區(qū)間運行；風(fēng)險比大于5時，正常運行情況下，系統(tǒng)超標(biāo)的風(fēng)險較小。因此風(fēng)險比小于3時，需要調(diào)整過程，使系統(tǒng)在安全區(qū)間運行；而風(fēng)險比大于5時，系統(tǒng)處于過處理狀態(tài)，造成能耗浪費，因此節(jié)能潛力相對較大。

圖1 風(fēng)險比與超標(biāo)風(fēng)險的概率關(guān)系圖

2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)樣本數(shù)據(jù)初步分析，除個別故障數(shù)據(jù)之外，其余數(shù)據(jù)滿足穩(wěn)定狀態(tài)的正態(tài)分布。采用典型的污水質(zhì)量標(biāo)識數(shù)據(jù)出水COD、總氮等作為分析源數(shù)據(jù)，進行風(fēng)險比分析。分析過程中，在系統(tǒng)已知設(shè)備儀表故障的情況下，由此引起的異常數(shù)據(jù)可能被忽略。污水處理廠按照國家1級A排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，分析最終出水的水質(zhì)情況以及超標(biāo)的風(fēng)險。

污水處理廠出水水質(zhì)COD標(biāo)準(zhǔn)為50mg/L[3]，而污水處理廠為嚴(yán)格控制出水，出水水質(zhì)COD采用的標(biāo)準(zhǔn)為40 mg/L。根據(jù)樣本數(shù)據(jù)可知，樣本數(shù)據(jù)平均值為9.69 mg/L，樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為1.48 mg/L。根據(jù)式(1)計算最終出水COD的風(fēng)險比=（40－9.69）/1.48=20.48。該風(fēng)險比值表示出水COD的控制結(jié)果遠低于限值，安全區(qū)域很大。

污水處理廠出水水質(zhì)BOD標(biāo)準(zhǔn)為10mg/L[3]。根據(jù)樣本數(shù)據(jù)可知，樣本數(shù)據(jù)平均值為1.08 mg/L，樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.43 mg/L，根據(jù)式(1)計算最終出水BOD的風(fēng)險比=（10－1.08）/0.43=20.74。該風(fēng)險比值表示出水BOD的控制結(jié)果遠低于限值，安全區(qū)域很大。

污水處理廠出水水質(zhì)總懸浮固體（MLSS）排放標(biāo)準(zhǔn)為10 mg/L[3]。分析樣本數(shù)據(jù)過程中，發(fā)現(xiàn)部分數(shù)據(jù)偏差明顯，經(jīng)過查詢是采集設(shè)備出現(xiàn)故障所致。在剔除設(shè)備故障期間不正常數(shù)據(jù)后，樣本數(shù)據(jù)平均值為0.98 mg/L，樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.87 mg/L。根據(jù)式(1)計算最終出水MLSS風(fēng)險比=（10－0.98）/0.87 =10.36。該風(fēng)險比值表示出水MLSS的控制結(jié)果遠低于限值，安全區(qū)域很大。

出水水質(zhì)總氮限值為15 mg/L[3]，根據(jù)樣本數(shù)據(jù)可知，樣本數(shù)據(jù)平均值為9.55 mg/L，樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為1.94 mg/L。根據(jù)式(1)計算最終水總氮的風(fēng)險比=（15－9.55）/1.94=2.809。該風(fēng)險比為2.809<3，根據(jù)風(fēng)險比分析，其有較高的超標(biāo)風(fēng)險，應(yīng)重點給予控制。

出水水質(zhì)總磷的限值為0.5 mg/L[3]，根據(jù)樣本數(shù)據(jù)可知，樣本數(shù)據(jù)平均值為0.23 mg/L，樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.05 mg/L。根據(jù)式(1)計算最終出水總磷的風(fēng)險比=（0.5－0.23）/0.05=5.4。該風(fēng)險比小于5，超標(biāo)風(fēng)險較低，有很大的安全區(qū)域。

由上述分析可以看出，出水水質(zhì)參數(shù)中，COD、BOD、MLSS的風(fēng)險比大于5，而安全區(qū)域為3~5，屬于過度控制的狀況，存在能源浪費，因此存在節(jié)能空間。而總氮含量雖然達標(biāo)，但安全裕度很小，生產(chǎn)控制過程稍有波動就有出水超標(biāo)的風(fēng)險，屬于需要重點控制的參數(shù)。

3 處理方法

MBR污水處理工藝圖如圖2所示，MBR處理工藝由多個環(huán)節(jié)構(gòu)成，在生產(chǎn)過程中，各個環(huán)節(jié)互相影響。常規(guī)的PID控制在這種多耦合大滯后的生產(chǎn)過程中控制效果并不理想，很容易出現(xiàn)能耗過多或者出水不達標(biāo)的情況。

圖2 MBR污水處理工藝圖

為了解決上述問題，本文采用系統(tǒng)辨識、先進控制技術(shù)和動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的控制方式，對污水處理過程進行控制。具體操作如下：

1)對樣本數(shù)據(jù)進行分析，找出控制過程中各個變量之間的關(guān)系和關(guān)鍵控制變量，例如DO、MLSS、進出水水質(zhì)參數(shù)COD、風(fēng)機風(fēng)量、回流泵流量等，建立數(shù)據(jù)驅(qū)動控制模型。在模型中采用多變量優(yōu)化控制算法和預(yù)測技術(shù)，對干擾進行預(yù)測控制，以降低干擾的影響。

2)建立數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測器，采用多個相互制約的變量共同判斷控制參數(shù)的狀態(tài)。既可避免單一變量判斷故障引起的誤報警，提高報警準(zhǔn)確度，也可在參數(shù)出現(xiàn)異常或者失效的情況下，通過數(shù)據(jù)仿真，進行數(shù)據(jù)重構(gòu)，參與生產(chǎn)控制。這樣在設(shè)備、儀表出現(xiàn)故障或維修的情況下，也能保證控制系統(tǒng)正常運行。

3)在控制過程中，將控制結(jié)果，如反應(yīng)池DO、MLSS，出水水質(zhì)參數(shù)等反饋至控制模型，形成閉環(huán)控制。一方面對偏差進行及時校正，另一方面進行模型不斷的學(xué)習(xí)修正，實行滾動優(yōu)化控制策略，從而達到最佳的控制效果。

4)根據(jù)運行狀況，進行KPI分析，對過程控制的效益指標(biāo)進行計算。同時計算出水水質(zhì)和能耗相關(guān)的風(fēng)險。

實際運行結(jié)果表明，通過基于先進控制技術(shù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型進行控制和數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)視，能夠降低總氮以及與總氮有制約關(guān)系的數(shù)據(jù)波動，即DO、MLSS的嚴(yán)格控制，使氨含量波動減?。煌ㄟ^精確控制的回流污泥泵的流量和鼓風(fēng)機的風(fēng)量，促進反硝化過程，以除去總氮，從而降低出水總氮的含量，使得出水總氮回到安全區(qū)域。

4 結(jié)語

目前，我國越來越重視城市污水處理，出水水質(zhì)不達標(biāo)或雖已達標(biāo)但易超標(biāo)的風(fēng)險的情況，需要通過系統(tǒng)控制，使出水達到安全區(qū)間。如果風(fēng)險比超過5，屬于過處理狀況，會出現(xiàn)能源浪費，通過系統(tǒng)控制，可以減少能耗。而通過數(shù)據(jù)驅(qū)動模型控制，在保證出水達標(biāo)的前提下，降低控制參數(shù)波動，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和精確性，使生產(chǎn)過程保持在經(jīng)濟穩(wěn)健運行狀態(tài)。

[1]李鵬峰,鄭興燦,孫永利,等.A2/O工藝污水處理廠的主要能耗點識別及節(jié)能途徑[J].中國給水排水,2012,28(8):6-10.

[2]楊敏,喬武偉,孫永利,等.城市污水處理廠鼓風(fēng)機房節(jié)能潛力分析[J].給水排水,2011,37(6):42-45.

[3]國家環(huán)境保護總局,國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 18918—2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

Energy-Saving Potential Analysis for MBR Wastewater Treatment Technology

Li Zhimei
(Guangdong Institute of Automation)

In this paper,the methodology of Cp、Ppk and Risk Ratio is used to study data of the actual operation in the sewage treatment plant effluent quality and operating performance to reduces volatility,improve control precision,and achieve energy-saving methods by advanced variable control.

Cp;Ppk;Risk Ratio;Fluctuation;Energy Saving

李志梅，女，1981年生，碩士，主要研究方向：優(yōu)化控制。E-mail:zm.li@gia.ac.cn